3　新たな観測技術の開発

「新たな観測技術の開発」計画推進部会長　藤本博己
（東北大学大学院理学研究科）

　「新たな観測技術の開発」研究では、地震･火山噴火予知研究の推進のために、これまでとらえることが困難、または不可能であった地震及び火山噴火現象を捉えるための「道具」を開発することを目指している。観測・実験技術の開発研究は、地震や火山噴火の現象解明の研究や、予測のための研究と共同で実施されることが多く、この部会と関連の深いものであっても、他の研究計画の中で実施されている技術開発もあるが、それらについては別に報告されている。ここでは、他部会で報告されなかった研究課題の成果を中心にまとめる。

（1） 海底における観測技術の開発と高度化

　日本列島は海に囲まれており、プレートの沈み込みに伴う巨大地震は海域で起こる。また、プレートの沈み込みに伴い、伊豆諸島をはじめ多くの島嶼部にも活動的な火山が存在する。そのため、既に高密度・高精度観測が行われている陸域と同等の観測点密度と精度で、海域においてもデータを取得する必要がある。更に、陸域と同様に地殻変動帯域から地震波帯域までの広い周波数帯域で、高ダイナミックレンジの観測を実施する必要がある。特に、巨大地震の発生の予測を目指した研究を行うためには、日本周辺のプレート境界における地震活動及びその固着状態を精度良く知ることが重要で、そのためには、海域における地殻変動及び地震の実時間観測が不可欠である。
　上記のような研究上の需要があるにもかかわらず、現在の海域の観測測器は陸上の測器のように商業ベースで開発されておらず、地震及び火山噴火予知研究の推進のためには、海域での観測機器は開発から始める必要がある。そのために、以下のような研究を進めた。

ア．海底地殻変動観測技術

　複数の研究機関が互いに連携し、宮城県沖、駿河湾、南海トラフ沿い等において観測船や曳航ブイを用いたGPS音響結合方式の精密海底測位の繰り返し観測を実施するともに、測位精度向上に関する研究を継続した。
　精密海底測位では、音響送受波器を測量船の船尾に支柱を立てて行うこれまでの観測方式では、航走によるノイズの発生や支柱への負荷軽減のため、漂流しながら観測しなければならず、音響発信する場所を理想的に配置することができなかった。しかし、音響送受波器を測量船の船底に設置することで、航走しながらの観測が可能となり、計画された測線に沿って理想的な配置で観測データを取得できるようになった。その結果、従来よりも安定した測位結果が得られることが確認された。さらに、航走観測の実現により、観測の効率が向上し、1回の観測に要する観測時間を2日間から約16時間に短縮することができた（図1、海上保安庁［課題番号：8006］）。
　GPS音響結合方式による精密海底測位の困難な点は、水中音速構造の影響を強く受け、それにより観測精度が低下することである。特に、音速が水平方向に変化する場合には、この影響が著しい。これを改善するために、三角形状に海底局を配置し、全観測データを用いて海底局の相対位置を決定した後に、海中音速構造を推定しながら海底局の絶対測位を行うという新たな解析アルゴリズムを開発し、推定精度が向上することが確認された（図2、名古屋大学[課題番号：1706]）。また、宮城県沖では、変位が予想される方向に4点の海中局を1列に並べて設置して測位観測の結果を検証した。その結果、音速の不均質場に、第一次近似である傾斜では表現しきれない変動が見られることを見出し（図3）、より高度な観測形態が必要であることを示した（東北大学[課題番号：1217]）。
　海底圧力観測は上下変動の連続観測のために重要な手法である。短周期圧力変動も観測できる海底圧力計を開発（Hino et al., 2009）するとともに、海底圧力データから地殻変動成分を抽出するために、海洋変動予測モデルによる海底圧力変動予測を数値シミュレーションにより行った。計算の格子間隔を細かくすることにより、圧力変動予測精度が劇的に向上することが示された（東北大学[課題番号：1217]）。

イ．海底地震観測技術

　既存の広帯域海底地震計（BBOBS） のレコーダーが備える高精度基準周波数源を利用して機動的に海底で地震と圧力を同時に観測できる試験機を作成した。2009 年12 月にその試験機3 台を紀伊半島沖に設置し観測中である。また、地震計センサーをデータ収録部から切り離して海底に設置することにより、機動的な観測においても、約10 秒より長い周期で陸上地震観測点に匹敵する地震記録を取得できることを実証した（東京大学地震研究所[課題番号：1431、1431]）。

ウ．海底実時間観測システム

　東南海地震に備えて、熊野灘における地震・津波観測監視システム（DONET）の開発を進め、観測機器の作成・試験を実施するとともに、三重県尾鷲沖に基幹ケーブルを敷設し、平成21年度末の一部運用開始を目指して作業を開始した（海洋研究開発機構[課題番号：4005]）。また、最新の電子技術を導入し、センサー部を小型容器に収納できる次世代ケーブル式海底観測システムを開発し、その性能を確認した（図4、東京大学地震研究所[課題番号：1433]、 Kanazawa and Shinohara, 2009）。

（2） 宇宙技術等の利用の高度化

　汎地球衛星測位システム（GPS）や衛星搭載合成開口レーダー（SAR）等の人工衛星を利用した観測技術は、地震及び火山活動の観測手段として重要な役割を果たしてきており、その解析技術の高度化を一層図ることにより、様々な地震や火山活動をより高い精度で把握することが可能になる。その他の衛星や航空機を利用したリモートセンシング技術の高度化と併せて、以下のような研究を進めた。

ア．宇宙測地技術

　GPSによる測位では、これまで課題となっていた地殻変動計測の上下成分の高精度化のため、以下のような研究を行った。GEONET 観測点における上下成分について、大気荷重による変形効果を補正する手法を開発し、それにより積雪による荷重変形を明瞭に見出すことに成功した。また、大気中の水蒸気密度の時間変化による影響を軽減することを目指して、天気予報に用いる気象庁メソ客観解析モデルを用いることにより、既存の水蒸気密度の鉛直分布関数だけでは補正しきれない大気伝搬遅延の影響が軽減できることを明らかにした（国土地理院[課題番号：6017]）。GPSによる高い時間分解能での地殻変動の推定は極めて重要な技術であり、精密単独測位（PPP）法が広く利用されている。しかし、この方法は、搬送波位相波数不確定性という技術的な問題のため、従来の方法に比べ、時間分解能が高いが、測位精度が低かった。精密単独測位法に、従来の手法による波数不確定性の補正法を取り入れる手法を開発し、測定精度の向上を図った。その結果、年周・半年周の誤差が大幅に小さくなり、この手法の有効性が確認できた（東北大学[課題番号：1218]）。
　SARの解析ではマイクロ波の干渉位相差を利用するため、巨大地震発生域のような狭い領域で1波長を越える大きな地殻変動を正確に推定することは一般的に困難であった。オフセットトラック法を利用して、SAR強度画像から2枚の画像間の変動を計測する手法で、2008 年岩手宮城内陸地震および2008年四川地震の震源付近における大変形の空間分布を観測することに成功し、本手法の有用性を示した（東京大学地震研究所［課題番号：1434]、Takada et al., 2009、Kobayashi et al., 2009 ）。また、SARの干渉解析結果を用いて地殻変動の時系列を求める解析手法を適用して三宅島の地殻変動を検出した。その他、世界各地の地震に伴う地殻変動を陸域観測技術衛星「だいち」のPALSAR データを用いて検出した（防災科学技術研究所[課題番号：3017]）。

イ．リモートセンシング技術

　火山噴火の際には、火口近傍での観測は重要であるが、観測者の安全の確保のため、実施は困難であった。この問題を解決する目的で、産業用小型無人ヘリコプターを用いて、遠隔操作により地磁気観測（Kaneko et al., 2009）等を進めるとともに、観測装置の設置作業を行うシステムを開発し、桜島火山において試験観測に成功した。桜島は火口から2km 以内は原則立ち入り禁止であり、火口近傍に観測点は存在しなかったが、この領域内の3 箇所に地震計を設置し、噴火に伴う地震波形を複数の点で観測し、データを回収することができた（東京大学地震研究所[課題番号：1435]）。
　また、人工衛星や航空機による火山噴火活動のモニタリング手法開発では、MTSAT等の衛星画像解析から2009年2月に噴火した浅間山の噴煙が東京‐勝浦方向に直線状に移動し、その移動速度が変化したことや、千島諸島中部にあるサリチェフ火山の2009年6月の噴火では、直径数10～100km に近い傘型領域をもつ巨大な噴煙が日に2 回程度のペースで発生したことなどを明らかにし、東アジアに分布する活火山の噴火活動のリアルタイム観測を試行している（東京大学地震研究所[課題番号：1436]）。航空機による赤外多波長観測データの解析手法を開発し、桜島のA火口及び昭和火口付近において、数ppmv～数十ppmvの濃度の二酸化硫黄ガスの分布を推定した（防災科学技術研究所[課題番号：3018]）。
　更に、降灰予測及び火山灰拡散予測手法に用いる噴煙、移流拡散モデルの改善を進め、そのために、既存の気象レーダー等で捉えられた火山噴煙の解析、噴煙の力学的予測モデルのプロトタイプの開発、空振アレイ観測に向けた異なる機種の空振計の比較観測を実施した（気象庁［課題番号：7022］）。

（3） 観測技術の継続的高度化

　地震及び火山観測においては、地下の状態を把握する新たな観測技術を開発して研究の推進に役立てると同時に、従来の観測手法の継続的な高度化も必要である。特に、これまで電源や通信事情が悪くて観測ができなかった、山間地・離島・火口近傍等の場所でデータを効率よく取得する技術の開発も必要である。このような課題に対して、以下のような研究を進めた。

ア．地下状態モニタリング技術

　宇宙空間から地上に降りそそぐ高エネルギー粒子のミュオンによる火山体内部の観測を開始した。ユーザーが設計した回路を自由に実装することができるFPGAを用いて、従来型のものと比べて消費電力を1／1000以下にした観測モジュールを開発し、商用電力の確保しにくい火山体に設置できるシステムを構築した。また、通信機能も加えて、火山から遠く離れた研究室内のPCで解析を行うミュオンのオンライン観測システム（図5）を開発した（Uchida et al., 2009、Tanaka et al., 2009a、2009b、田中, 2009）。そのシステムを用いて、桜島におけるミュオン観測を開始し、桜島浅部火道における配管系の視覚化に成功した。ミュオン透過強度を方位角‐仰角空間内にプロットした結果を図6に示す。図中の山体のミュオンの影上部で相対的にミュオン強度が大きくなっているところが、桜島北岳（A、B）、昭和火口（S）に相当する。ミュオンの観測結果を検証するために、長期の絶対重力観測も進めており、安定的な長期連続観測のためのノウハウを習得した（東京大学地震研究所[課題番号：1438]）。

　東海地域で稼働している3ヶ所（土岐、森町、豊橋）の人工震動源であるアクロス震源からの信号の解析を継続して進めた。また、火山におけるマグマ蓄積などの噴火準備過程を人工震動源によりモニタリングする手法を確立する目的で、火山地域での観測に有利な低周波数の信号を効率的に送信できると考えられる直線加振方式の実用化に向けて、加振装置の実験を行った（名古屋大学[課題番号：1707]）。

　GPS観測データのリアルタイム処理を目指して、GEONETの観測データと気象庁の天気予報に用いるメソスケールモデルを自動的にダウンロードするプログラムを開発し、大気伝播遅延量を補正するプログラムを利用して、準リアルタイムで大気遅延補正を推定するシステムを開発した。これにより、準リアルタイムでのGPSによる地殻変動の推定に目処を付けた（防災科学技術研究所[課題番号：3019]、Hobiger et al., 2010）。

イ．地震活動や噴火活動の活発な地域における観測技術

　精度とともにフィールドでの利用を考慮して可搬性にも重点を置いた小型絶対重力計（図7）を開発し、静穏な観測所（国立天文台江刺観測所、岩手県）で約2日間の測定を行った（図8）。レーザー干渉計から得られた落体の加速度に対して、併設した長周期加速度計で計測した地面の振動（茶）を補正した結果（青）、理論地球潮汐（赤）とほぼ一致する値が得られた。両者の残差から見積もると、2日間（601回）の測定による重力値の測定精度は0.8 μgal であり、本装置よりもやや大型の商業ベースで流通している絶対重力計と遜色のない性能が示された（東京大学地震研究所[課題番号：1439]）。
　近年、社会基盤として携帯電話網の整備が著しい。これを利用した観測データの伝送方法が検討された。携帯電話カードの定額料金プランを用いた地震データ転送、プリペイド式携帯電話端末を用いたGPS観測網のテレメータ化、低消費電力の小型小電力無線機を用いた無線LAN 装置の開発などのデータ伝送実験を行った（九州大学[課題番号：2207]）。北海道駒ヶ岳に設置している機動型GPS火山変動リモート観測装置（REGMOS）を更新し、発電効率の向上を図るとともに、GPS以外のデータを含めた複合的な観測に向けて、GPS観測データの圧縮比を高め、大容量データが転送可能なデータ通信システムを開発した（国土地理院[課題番号：6019]）。

ウ．大深度ボアホール計測技術

　高精度で安定であるレーザー計測の特長を生かした広帯域地震計の実用化を目指して、周波数帯域が1mHz～50Hzのレーザー干渉型広帯域地震計を開発し、鋸山観測所（地震研究所、千葉県富津市）において、既存の広帯域地震計（STS1型）と同じ基台の上で並行観測を行い、両者のスペクトルから雑音レベルを見積もった（図9）。二つの地震計は4mHz 以上の帯域では、ほぼ一致したスペクトルを示し、この観測点程度の地動雑音レベルの観測点では、少なくとも既存の広帯域地震計と同等の性能を有することがわかった（東京大学地震研究所[課題番号：1440]、 Takamori et al., 2009）。また、大深度における強震観測では、高温環境下で利用できる加速度計が必要となる。そのため、恒温槽内で、開発した加速度計センサーの動作実験を行い、200 ℃環境下にて自然地震の加速度記録が正常に得られることを検証した（防災科学技術研究所[課題番号：3020]）。地殻応力測定に向けた昨年までの研究により、ボアホールジャッキ式乾式破砕法や高剛性水圧破砕法が開発されたが、通常、3km 以深では掘削に伴うボアホール孔壁破壊が生じ、いずれの手法も適用不能となる。そこで、ボアホール壁面にセンサーを押し付けて歪を計測する装置を開発し、試験観測に成功した（東京大学地震研究所[課題番号：1441]）。

参考文献

藤本博己， 海底地殻変動観測，2009, 地震2，61S， S69‐S74.

Hino， R.， S. Ii， T. Iinuma， and H. Fujimoto，2009， Continuous long‐term seafloor pressure observation for detecting slow‐slip interplate events in Miyagi‐Oki on the landward Japan Trench slope. J. Disast. Res.， 4， 72‐82.

Hobiger， T.， S. Shimada， S. Shimizu， R. Ichikawa， Y. Koyama， and T. Kondo，2010, Improving GPS po‐sitioning estimates during extreme weather situations by the help of fine‐mesh numerical weather models， J. Atmos. Solar‐Terr. Phys.， 72， 262‐270.

Kanazawa, T.， and M. Shinohara，2009,  A new, compact ocean bottom cabled seismometer system    Development of compact cabled seismometers for seafloor observation and a description of first installation plan，Sea Technol., 37‐40.

Kaneko， T.， T. Koyama， A. Yasuda， M. Takeo， T. Yanagisawa， K. Kajiwara， and Y. Honda，2010,  Low altitude remote sensing of volcanoes using an unmanned autonomous helicopter： an example of aeromagnetic observation at Izu‐Oshima volcano， Japan， Int. J. Remot. Sens.， （in press）.

Kobayashi, T.，Y. Takada, M. Furuya, and M. Murakami, 2009, Locations and types of faultings involved in the 2008 Sichuan Earthquake， inferred from a SAR image matching， Geophys. Res. Lett.， 36， L07302.

Takada， Y., T. Kobayashi, M. Furuya，and M. Murakami，2009, Coseismic displacement due to the 2008 Iwate‐Miyagi Nairiku Earthquake detected by ALOS／PALSAR： Preliminary results, Earth Planet. Space, 61, e9‐e12.

Takamori, A., A. Araya, Y. Otake, K. Ishidoshiro and M. Ando, 2009, Research and development status of a new rotational seismometer based on the flux pinning effect of a superconductor,  Bull. Seism. Soc. Am., 99, 1174‐1180.

田中宏幸, 2009, 宇宙線で地球・火山を透視する， 科学， 79， 5， 507‐512.

Tanaka, H.K.M., T. Uchida, M. Tanaka, H. Shinohara, 2009a, Cosmic‐ray muon imaging of magma in a conduit： Degassing process of Satsuma‐Iwojima Volcano, Japan, Geophys. Res. Lett., 36 L01304.

Tanaka, H.K.M., T. Uchida, M. Tanaka, M. Takeo, J. Oikawa, T. Ohminato, Y. Aoki, E. Koyama and H. Tsuji, 2009b, Detecting a mass change inside a volcano by cosmic‐ray muon radiography （muography）： First results from measurements at Asama volcano, Japan, Geophys. Res. Lett., 36, L17302.

Uchida, T., H.K.M. Tanaka and M. Tanaka, 2009, Space Saving and Power Efficient Readout System for Cosmic‐Ray Muon Radiography, IEEE Transactions on Nuclear Science, 56, 448‐452.

図1. 海底地殻変動観測システムの改良。船底に音響トランスデューサーを装着する方式により、これまでの漂流観測から航走観測に進化した（海上保安庁［課題番号：8006］）。これにより、観測精度の向上、観測効率の向上が達成できた。

図2. 新たなアルゴリズムで解析した局地直交座標系での熊野灘のKMN（上）およびKMS（下）ベンチマーク座標の時系列（名古屋大学[課題番号：1706]）。白丸はデータ数が著しく少ないため、トレンド推定には用いていない。

図3. 宮城県沖にほぼ東西方向に設置した4台の海底局を用いて得られた観測走時残差（下）と音速不均質が傾斜で近似できる場合の理論走時残差（上）（東北大学[課題番号：1217]）

 

図4. 開発したケーブル式海底地震計システムの観測ノードのエレクトロニクス（東京大学地震研究所[課題番号：1433]）。3個の直交する高精度加速度計を搭載し、光ファイバーを使って、イーサネットを構築する。電源には、従来の通信用海底ケーブル中継器の技術を用いた。

図5. FPGA を用いて開発した小型のミュオン オンラインデータ取得システム（東京大学地震研究所[課題番号：1438]）

図6. 桜島火山を透過するミュオン強度の方位角‐仰角空間内プロット（東京大学地震研究所[課題番号：1438]）。山体のミュオンの影上部で相対的にミュオン強度が大きくなっているところが、A、B、昭和火口（S）。点線それぞれの火口の下において局所的にミュオン透過強度が多くなっている最大値を線でつないだもの。数字は密度減少部分が火口軸上に局所化していると仮定したときの昭和火口の火道の直径。

図7. 小型絶対重力計の試作機（東京大学地震研究所[課題番号：1433]）。小型絶対重力計の精度、可搬性等の問題点の洗い出しを行うために、高さ110cm、重さ95kg の試作機を製作した。

図8. 小型絶対重力計で測定された重力値および地面振動（東京大学地震研究所[課題番号：1433]）。静穏な観測所（国立天文台江刺観測所、岩手県）で試作機を約2日間動作させ、精度を評価した。レーザー干渉信号を地面振動（茶）で補正した結果、重力値（青）が得られ、潮汐予想値（赤）と良く一致した。このデータから測定精度は0.8 μgal と見積もられた。

図9. レーザー地震計とSTS1地震計とのスペクトルの比較（東京大学地震研究所[課題番号：1440]）。レーザー地震計（Laser）とSTS地震計（STS1）は4mHz 以上の帯域ではほぼ一致したスペクトルを示し、両者は正しく地動を記録しているといえる。4mHz 以下の帯域ではレーザー地震計は磁場などの外来ノイズを感受しているものと推測される。